James Webb нашел возможный след первых звезд Вселенной


Космический телескоп James Webb изучил холодный газ вокруг трех галактик, которые существовали через 520–650 млн лет после Большого взрыва. Химический состав этого газа оказался необычным: тяжелых элементов в нем очень мало, но углерода относительно кислорода слишком много для обычной картины эволюции галактик.

Ученые считают, что такой состав может быть следом взрывов первых звезд во Вселенной — Population III.

Абсорбционные линии показали газ вокруг древних галактик

Обычно химию далеких галактик изучают по яркому свету из регионов активного звездообразования — так называемым эмиссионным линиям. Этот метод показывает в первую очередь центральные области, где уже могли смениться несколько поколений звезд, а газ успел перемешаться и обогатиться тяжелыми элементами.

Международная группа под руководством Клары Поллок и Каспера Хайнца из Cosmic Dawn Center в Копенгагене использовала спектрограф NIRSpec на James Webb и измерила абсорбционные линии — длины волн, которые холодный газ поглотил из света галактики на пути к телескопу.

Такой подход позволил изучить более бедный металлами газ вокруг галактик — вещество, которое могло меньше перемешаться с продуктами более позднего звездообразования. Именно там ученые нашли главную химическую аномалию.

Вокруг трех галактик нашли бедный металлами газ с избытком углерода

Исследователи изучили три яркие галактики ранней Вселенной: Gz9p3 с красным смещением около 9,3, EGSY8p7 с красным смещением около 8,6 и ZD2 с красным смещением около 7,8. Все они существовали, когда возраст Вселенной составлял меньше 700 млн лет.

Измерения показали резкий контраст. В центральных областях галактик тяжелых элементов уже накопилось примерно 10–20% от солнечного уровня. А вот в холодном газе вокруг них металличность оказалась намного ниже — от сотых до тысячных долей солнечного уровня.

При этом отношение углерода к кислороду в этом бедном газе оказалось выше солнечного.

Именно сочетание низкой металличности и избытка углерода делает результат важным: такой химический рисунок может указывать на вклад первых звезд.

Избыток углерода может быть следом слабых сверхновых первых звезд

Первые звезды — Population III — должны были родиться из почти первичного газа. В ранней Вселенной были в основном водород и гелий, а углерода, кислорода, кремния, железа и других тяжелых элементов почти не существовало.

Эти элементы появились позже — в недрах первых звезд и после их взрывов.

Авторы работы использовали модели NEFERTITI, чтобы сравнить полученные химические пропорции с разными сценариями ранней эволюции галактик. Для двух объектов, Gz9p3 и ZD2, остаются альтернативные объяснения: их состав можно согласовать как со вкладом первых звезд, так и с более поздними поколениями.

Но для EGSY8p7 совпадение оказалось сильнее. Ее окружающий металл-бедный газ лучше всего согласуется со сценарием, при котором первые звезды взрывались как сравнительно слабые сверхновые.

При таком взрыве наружные, богатые углеродом слои выбрасываются в космос, а часть вещества падает обратно на остаток звезды. Поэтому в газе может появиться избыток углерода при общем дефиците тяжелых элементов.

EGSY8p7 стала главным кандидатом на след первых звезд

Все три галактики показали похожую картину, но степень доказательности у них разная.

Gz9p3 и ZD2 пока нельзя уверенно связать только с Population III. Их химический состав допускает несколько вариантов происхождения.

EGSY8p7 выглядит сильнее. Для нее модели дают наилучшее совпадение именно со сценарием обогащения после слабых сверхновых первых звезд. Авторы считают, что речь может идти о звездах массой примерно от 10 до 100 масс Солнца, которые оставили после себя газ с повышенным содержанием углерода.

Это не значит, что James Webb увидел первые звезды напрямую. Их самих в этих данных нет. Телескоп увидел химический отпечаток, который мог остаться после их взрывов.

James Webb дал новый способ искать Population III

Работа показывает, что следы первых звезд можно искать не только по яркому свету далеких галактик, но и по составу холодного газа вокруг них.

Абсорбционные измерения позволяют заглянуть в газ, который может хранить более ранний химический след, чем центральные области активного звездообразования. Это особенно важно для Population III: сами первые звезды должны были жить недолго и исчезнуть задолго до появления более зрелых галактик.

Новые данные дают ограничения на то, какими могли быть сверхновые первых звезд. В случае EGSY8p7 картина лучше всего совпадает не со сверхмощным взрывом, а со слабой сверхновой, которая выбросила в космос много углерода, сохранив общий дефицит тяжелых элементов.

Это косвенная улика, а не окончательное доказательство

Исследование не доказывает, что ученые нашли сами первые звезды. Речь идет о химическом следе, который может указывать на их взрывы.

Для двух из трех галактик остаются другие объяснения. Нужны новые наблюдения, больше объектов и более точные измерения отношения углерода к кислороду.

Но EGSY8p7 уже выглядит одним из сильных кандидатов на галактику, вокруг которой сохранился след первых звезд Вселенной.

Пока это косвенная улика. Но именно такие абсорбционные измерения могут стать одним из самых прямых способов искать Population III — не по их свету, а по химии газа, который они успели изменить.